连续波差分吸收激光雷达探测路径大气CO2平均浓度

大气二氧化碳作为最重要的温室气体之一,它的变化和分布备受关注,差分吸收激光雷达(DIAL)系统是探测大气二氧化碳浓度的重要手段,对于研究温室气体的源和汇具有重要意义。主要研究正弦调制连续波差分吸收激光雷达在水平路径上探测CO2平均浓度,利用HITRAN数据库中CO2及H2O的吸收光谱,综合考虑CO2的吸收截面及H2O的干扰,选择差分吸收激光雷达的工作波长On-line:1 572.335 nm, Off-line:1 572.180 nm;声光调制器取代电光调制器对连续波激光强度进行正弦波调制,两路调制信号频率有细微差别,其中On-line调制频率为101.833 kHz, Off-line调制频率为99.733 kHz;On-line光源激光器通过光谱调制技术将激光频率锁定在气体池吸收峰1 572.335 nm处,并采用在相位调制器上施加直流偏置反馈电压来消除相位调制器的残余幅度调制(RAM),使波长锁定精度大幅提高,激光频率锁定系统实现On-line光源激光器在12小时输出波长均方根误差为0.05 pm;在CPU中实现快速傅立叶变换获取回波光信号和发射监视端激光强度的功率谱,并选择窗函数和频谱校正算法来提高计算精度;通过调制连续波激光强度的正弦波相位鉴别获取路径的长度;系统光路为光纤光路,使其结构紧凑;对系统进行外场实验和对比实验;获取上海市区1.3 km路径上二氧化碳平均浓度,实验数据显示系统观测精度为4 ppm(百万分之一),且探测到的CO2日变化趋势与二氧化碳点探测器LI-7500A探测到的日变化趋势相吻合。

基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪

傅里叶变换光谱仪现已广泛应用于红外光谱学领域,它也是较为适合对大气温度、湿度、风场以及大气成分进行天基垂直探测的一种遥感仪器。提出了一种基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪。马赫-曾德干涉仪的一组反射镜作匀速直线运动,线性改变两个光学臂之间的光程差,然后平衡探测器对两路干涉信号进行差分检测。通过对光程差线性变化的电信号进行傅里叶变换,可以获得输入光的光谱分布曲线。与迈克尔逊干涉仪相比,马赫-曾德干涉仪在同样光通量输入条件下得到的干涉信号更强,且由非相干强度带来的噪声更小。该结果对于卫星遥感来说十分有利。

水汽差分吸收激光雷达发射机935 nm高功率光参量振荡器

水汽分子的3ν强振动吸收带位于935 nm附近,差分吸收激光雷达在这个波段具有高探测灵敏度。不幸这一波段位于Ti:Sapphire激光器增益带宽的边缘和Cr:Alexandrite激光器增益带宽之外,染料激光器有较高的自发荧光成分而使其光谱纯度不高,光参量频率转换器可以用作该波段水汽差分吸收激光雷达的发射机。动态稳定的环形谐振腔中有一对走离补偿的、70.7°切角的KTP非线性晶体。它由种子注入单纵模Nd:YAG激光器的二倍频532 nm光脉冲泵浦,脉冲重复频率10 Hz。通过935 nm分布反馈半导体激光器种子注入和"ramp-hold-fire"方法,主动锁定光参量振荡器谐振腔的腔长。发射机平均输出功率达到4.5 W,脉冲长度6 ns,光(532 nm)-光(935 nm)转换效率大于17%,光频的短程和长程频率稳定性30 MHz(RMS)。光束质量M2大约7.8,光谱纯度可以达到99.9%。它将是空间探测大气水汽廓线遥感器的候选光源之一。

基于45°倾斜光纤光栅的光纤激光频率梳(特邀)

利用45°倾斜光纤光栅(45°-TFG)作为光纤型起偏器,搭建了一台高可靠性高稳定性的掺铒锁模光纤激光器,并以此为基础实现了重复频率f_(rep)和载波包络偏移频率f_(ceo)的精确锁定。当泵浦功率为228 mW时,基于45°-TFG的锁模激光振荡器可实现3 dB光谱带宽为60.4 nm、脉冲宽度为68 fs的超短脉冲输出,在12 h内功率的均方根稳定性达到0.033%,且在较大的泵浦范围内均能维持较好的展宽锁模状态。经过自主搭建的非线性脉冲放大、超连续谱产生以及f-2f自参考拍频干涉光路,获得了信噪比为32 dB的f_(ceo)信号。最后通过搭建基于锁相环的主动反馈控制电路,将f_(rep)和f_(ceo)信号溯源至一台GPS时频系统,最终测得f_(rep)和f_(ceo)信号归一化后在1 s门时间内频率稳定度为2.38×10^(-12)和6.41×10^(-16)。这是首次实现基于45°-TFG的光纤激光频率梳,表明了基于45°-TFG的锁模光纤激光器在实际应用中的潜力。

地基差分吸收激光雷达垂直探测大气压力初步实验

大气压力是最重要的气象要素之一。为了实现空间激光遥感大气压力,需要先进行必要的地基激光雷达探测实验研究。以单纵模Nd:YAG激光器的二倍频532 nm激光脉冲作为泵浦源,以KTP(KTiOPO4)晶体作为非线性转换介质的光参量振荡器和光参量放大器,产生了760.236 nm和760.307 nm波长的两种激光脉冲,脉冲能量为40 mJ,采用?350 mm望远镜接收大气的后向散射,从而获得了不同高度处与激光雷达之间双波长的差分光学厚度。有效探测高度为500~4000 m,时间分辨率为1~5 min。实验结果表明,差分光学厚度对应着大气层不同高度处与激光雷达间的压力差,其对应关系的数值表达是可以期待的。